Управление потоком поверхностных плазмонполяритонов с помощью внешних полей

Введение
Цель работы: компьютерное моделирование наноразмерных плазмонных устройств, принцип действия которых основан на управлении потоком поверхностных плазмон-поляритонов
Поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) генерируются в результате взаимодействия фотонов, фононов и плазмонов при распространении электромагнитной волны вдоль границы раздела диэлектрической среды и металла

Граничные условия для ППП для ТМ-моды
Длина волны и постоянная распространения ППП:
– волновой вектор ППП
– коэффициент затухания
в среде 1
– коэффициент затухания
в среде 2

Действительная часть должна быть отрицательной
по модулю должна быть больше чем
Условия возбуждения ППП
- диэлектрическая проницаемость металла
- диэлектрическая проницаемость диэлектрика

Распределение потока плотности энергии в системе металл-диэлектрик
Плазмонная волна экспоненциально затухает в металле и в диэлектрике вдоль нормальной оси к границе раздела
Постоянная распространения ППП на поверхности полоскового волновода

(а)
(б)
Плазмонный полевой транзистор, действующий по принципу полупроводникового полевого транзистора со встроенным каналом
SPP
SPP

Модель плазмонного полевого транзистора

Энергетические уровни в системе Au/SiO2/Au
EF – уровень Ферми Au (5.1 эВ)
EC – уровень ферми SiO2 (~8 эВ).
G – gate (затвор)
n-p – nano-plate (нано-пластинка)
1 – потенциальная кривая электронов с n-p
2 – потенциальная кривая электронов с G
3 – потенциальный барьер при суперпозиции потенциалов 1 и 2

Энергетические уровни в системе Au/SiO2/Au с включённым полем на затворе
EF – уровень Ферми Au (5.1 эВ)
EC – уровень Ферми SiO2 (~8 эВ).
1 – потенциальная кривая электронов с n-p.
2 – потенциальная кривая электронов с G.
3 – потенциал образованный при включении поля на G.
4 – потенциальный барьер при суперпозиции потенциалов 1, 2 и 3.

Влияние управляющего поля на вектор Пойнтинга

Аналитический анализ и компьютерное моделирование позволяют сделать следующие выводы:
ППП на границе раздела металл-диэлектрик могут существовать только в области частот, в которой диэлектрическая проницаемость одной из сред отрицательна.
Плазмонная волна является сильно локализованной вблизи границы раздела сред. Пространственная локализация ППП является основой для применений в наноразмерных структурах.
Диэлектрическую проницаемость металло-диэлектрической наноструктуры можно локально менять изменяя амплитуду ППП-сигнала, подаваемого на управляющий электрод ППТ. При этом можно модулировать плотность потока энергии ППП, распространяющегося по поверхности плазмонного полоскового волновода.
Способ управления ППП-сигналами с помощью внешних полей является весьма эффективным для применения в наноплазмонных устройствах .
На основе управления ППП-сигналами может быть реализован ППТ с рабочей частотой порядка десятков терагерц. ППТ может быть применен в интегральных микросхемах для вычислительных устройств, работающих на оптических частотах.
Выводы